(57)【要約】【課題】  確実にバンプを積みあげて多段バンプを形成することができ、所要のバンプの高さを確保する多段バンプを得る。【解決手段】  キャピラリ１０により金属ワイヤ１２を支持し、放電により金属ワイヤ１２を溶融して金属ワイヤ１２の先端にボール１４を形成し、ボール１４に荷重および超音波振動を加えて、２段以上にボールを積み重ねるようにボンディングすることにより多段バンプを形成する方法において、前記キャピラリ１０に支持された金属ワイヤ１２のテール量を、金属ワイヤ１２とボール１４との中心位置のずれ量が前記金属ワイヤの線径の１／２以下となるように設定してボールをボンディングすることにより、多段バンプを形成することを特徴とする。【選択図】        図１
2005135932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャピラリにより金属ワイヤを支持し、放電により金属ワイヤを溶融して金属ワイヤの先端にボールを形成し、ボールに荷重および超音波振動を加えて、２段以上にボールを積み重ねるようにボンディングすることにより多段バンプを形成する方法において、
前記キャピラリに支持された金属ワイヤのテール量を、金属ワイヤとボールとの中心位置のずれ量が前記金属ワイヤの線径の１／２以下となるように設定してボールをボンディングすることにより、多段バンプを形成することを特徴とする多段バンプの形成方法。
【請求項２】
ボールをボンディングする際にキャピラリからボールに作用させる荷重を、より上段に接合されるボールに対しては、より小さくなるように設定してボールをボンディングすることを特徴とする請求項１記載の多段バンプの形成方法。
【請求項３】
ボールをボンディングする際にキャピラリからボールに作用させる超音波出力を、より上段に接合されるボールに対しては、より弱くなるように設定してボールをボンディングすることを特徴とする請求項１または２記載の多段バンプの形成方法。
【請求項４】
ボールをボンディングする際にキャピラリからボールに作用させる超音波振動の作用時間を、より上段に接合されるボールに対しては、より短くなるように設定してボールをボンディングすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多段バンプの形成方法。
【請求項５】
キャピラリをバンプ位置に位置合わせし、バンプ位置を検出してボールをボンディングする際に、キャピラリの移動速度を高速から低速に切り換える検出開始位置を、
多段バンプの全高の略４／５の高さを前記検出開始位置を決める基準高さとし、この基準高さをもとに前記検出開始位置を決めてボールをボンディングすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の多段バンプの形成方法。                                              
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体チップの電極等に多段にバンプを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップ接続に使用される半導体チップは、アルミニウムパッドに接続用のバンプ（スタッドバンプ）を形成したものであり、プリント配線基板等の基板に設けられた接続電極にバンプを介して電気的に接続して実装される。半導体チップのパッドにバンプを形成する方法としては、金属の細線からなるワイヤの先端を放電により溶融してボール状に形成した後、キャピラリを介してボールをパッドに押圧するとともに超音波振動を加えてボールをパッドに接合する方法が一般的である。
【０００３】
通常、パッドに形成されるバンプは１段で、バンプの高さは、ワイヤの先端に形成するボールの大きさ、ボールをパッドに接合する際の加圧力およびボール接合時に作用させる超音波出力によってほぼ決定される。
ところで、半導体チップを基板に実装する際に、回路部品との関係や実装方法の制約から、高さの高いバンプが必要になったような場合には、ワイヤを溶融して大径のボールを形成してバンプの高さを高くすることがまず考えられる。しかしながら、ボールの径を大きくすると、高さに比例してバンプの幅も大きくなるから、パッドのピッチ間隔を狭くすることが制約されるという問題が生じる。また、他の方法として、ボールを接合する際の加圧力を弱めてボールの潰れ量を抑えるようにする方法も考えられる。しかしながら、この場合はバンプとパッドどの接合強度が低下してしまい、安定してバンプを形成することができなくなる。なお、超音波出力を低くしてバンプの高さを確保しようとする場合も同様の問題が生じる。
【０００４】
このような問題を回避する方法として、半導体チップのパッドにバンプ（スタッドバンプ）を多段に形成してバンプの高さを確保する方法が考えられている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、ワイヤボンディングの際に使用するキャピラリを用いて、３〜６個のスタッドバンプを積み重ねるようにして多段にバンプを形成する例が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−４３３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スタッドバンプを多段に積み重ねて多段バンプを形成する方法は、バンプ径を大きくすることなくバンプの高さを確保できるから、パッド間隔が狭くなった場合にも対応することができるという利点があり、バンプの段数を選択することによってバンプの高さを調節できるという利点がある。しかしながら、小径のバンプを積み重ねて多段にバンプを形成する場合に、単にボンディング条件を調節するだけでは安定的にかつ確実に多段バンプを形成することができない。
【０００６】
本発明は、バンプを積みあげて多段バンプを形成する際に、確実にバンプを積みあげることができ、これによって所要のバンプの高さを確保することを可能とし、バンプを安定した状態で多段に積みあげた多段バンプを得ることを可能にする多段バンプの形成方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、キャピラリにより金属ワイヤを支持し、放電により金属ワイヤを溶融して金属ワイヤの先端にボールを形成し、ボールに荷重および超音波振動を加えて、２段以上にボールを積み重ねるようにボンディングすることにより多段バンプを形成する方法において、前記キャピラリに支持された金属ワイヤのテール量を、金属ワイヤとボールとの中心位置のずれ量が前記金属ワイヤの線径の１／２以下となるように設定してボールをボンディングすることにより、多段バンプを形成することを特徴とする。
【０００８】
また、ボールをボンディングする際にキャピラリからボールに作用させる荷重を、より上段に接合されるボールに対しては、より小さくなるように設定してボールをボンディングすること、また、ボールをボンディングする際にキャピラリからボールに作用させる超音波出力を、より上段に接合されるボールに対しては、より弱くなるように設定してボールをボンディングすること、また、ボールをボンディングする際にキャピラリからボールに作用させる超音波振動の作用時間を、より上段に接合されるボールに対しては、より短くなるように設定してボールをボンディングすることを特徴とする。
また、キャピラリをバンプ位置に位置合わせし、バンプ位置を検出してボールをボンディングする際に、キャピラリの移動速度を高速から低速に切り換える検出開始位置を、多段バンプの全高の略４／５の高さを前記検出開始位置を決める基準高さとし、この基準高さをもとに前記検出開始位置を決めてボールをボンディングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る多段バンプの形成方法によれば、確実にバンプを積みあげて多段バンプを形成することができ、所要の高さを備えた多段バンプを容易に形成することができる。本発明に係る多段バンプの形成方法によれば、半導体チップを実装する形態として種々の方法を採用することが可能になる。また、本発明方法は、半導体チップのバンプに多段バンプを形成する方法に限らず、基板の接続電極に多段バンプを形成する方法等としても利用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面にしたがって詳細に説明する。
図１は本発明に係る多段バンプの形成方法において、キャピラリ１０から延出させた金属ワイヤ１２の先端部を溶融してボール１４を形成する方法を示す。図１(a)に示すように、キャピラリ１０から金属ワイヤ１２の先端部を延出させ、放電電極１６と金属ワイヤ１２の先端部との間で放電させることにより、金属ワイヤ１２の先端部が溶融し、金属ワイヤ１２の先端部にボール１４が形成される（図１(b)）。
【００１１】
放電電極１６と金属ワイヤ１２とを放電させる際に金属ワイヤ１２がキャピラリ１０の先端から延出している長さＬをテール量というが、従来は、このテール量を１５０μｍ〜３００μｍに設定している。図２は、テール量によってボール１４と金属ワイヤ１２の中心位置のずれ量がどのように変化するかを測定した結果を示す。図２は、テール量が大きいほど、ボール１４と金属ワイヤ１２との中心位置の変位量が大きくなることを示している。これは、キャピラリ１０から延出する金属ワイヤ１２の長さが長くなると、金属ワイヤ１２の捻れ等によって変位が生じやすくなるためと考えられる。
【００１２】
金属ワイヤ１２の中心位置はキャピラリ１０の中心位置、すなわちボンディング時の基準位置となるから、金属ワイヤ１２の中心位置とボール１４の中心位置とがずれていると、ボール１４をバンプ形成位置に正確に位置合わせしてボンディングすることができない。また、ボール１４と金属ワイヤ１２の中心位置がずれていると、ボール１４をボンディングする際に、金属ワイヤ１２が屈曲してしまい、倒れが生じてしまって、的確なボンディングができなくなる。
したがって、正確にバンプを積みあげて確実に多段バンプを形成できるようにするには、テール量すなわちキャピラリ１０から延出させる金属ワイヤ１２の長さをできるだけ短くすることが有効である。また、キャピラリ１０に供給する金属ワイヤ１２に加えるテンションが大きくなると金属ワイヤ１２の曲がりが大きくなるから、金属ワイヤ１２に作用するテンションをできるだけ小さくするように調整することも有効である。
【００１３】
ボール１４をボンディングする際に的確なボンディングができるようにするには、金属ワイヤ１２とボール１４との中心位置のずれ量を金属ワイヤ１２の線径の１／２程度以下とする必要がある。したがって、たとえば線径が２０μｍの金属ワイヤ１２を使用する場合には、金属ワイヤ１２のずれ量を１０μｍ以下、すなわちテール量としては１００μｍ程度以下とするのがよい。金属ワイヤ１２は先端部にボール１４を形成するから、一定の長さを延出させておく必要があり、この場合の金属ワイヤ１２のテール量としては６０〜１００μｍ程度とするのがよい。
【００１４】
金属ワイヤ１２は放電によってボール１４を形成するから、金属ワイヤ１２の素材としては、放電によって球形になりやすい金属、たとえば金線、銅線、アルミニウム線が好適に使用できる。金線、銅線、アルミニウム線は容易に細線に加工できるという利点がある。金属ワイヤ１２は形成するバンプの大きさにもよるが、現在は線径が２０μｍ、１５μｍの線材が一般に使用されている。線径が２０μｍの金属ワイヤ１２を用いて形成するバンプ径は３５〜４０μｍである。
【００１５】
なお、金属ワイヤ１２としては単一金属からなる細線を使用する他、放電によって形成するボール１４の形状を安定化させ、バンプの接合性を良好にするため、線材の表面に線材とは異なる金属からなるめっきを施したものを使用することもできる。たとえば、銅線は溶融した際にきれいな球形になりにくい性質があるが、銅線の表面に銅よりも溶融しやすい金属、たとえばパラジウムをめっきしておくことにより、金属ワイヤを溶融した際に、パラジウムが銅のまわりを包むようにして溶け、ボール状に溶融させることができる。また、線材の表面にパッド等との接合性の良い金属をめっきしておくことにより、ボールを確実に接合することが可能になる。
【００１６】
図３は、半導体チップ１８の表面に形成されているパッド２０にバンプを積み重ねて多段バンプを形成する工程を示す。
図３(a)は、半導体チップ１８の表面に形成されているパッド２０に、ボール１４を位置合わせして接合している状態を示す。ボール１４に荷重を加え、キャピラリ１０に超音波振動を作用させてボール１４をパッド２０に接合する。図３(b)がパッド２０にボール１４が接合され１段目のバンプ２２が形成された状態である。バンプ２２は、キャピラリ１０によってボール１４が加圧されて接合されるから、若干扁平状（バンプ２２の外径が３５〜４０μｍで、バンプ２２の高さは２０μｍ程度）になる。
キャピラリ１０によってボール１４をパッド２０に接合した後、キャピラリ１０を引き上げることによって金属ワイヤ１２が切断され、バンプ２２の上面の中央部に針状に金属ワイヤ１２の切断端が残る。
【００１７】
図３(c)は、１段目のバンプ２２に位置合わせして２段目のバンプ２２を形成している状態を示す。１段目のバンプ２２の上にキャピラリ１０で支持しながらボール１４を加圧し、超音波振動を加えてボール１４を接合する。図３(d)が２段目のバンプ２２が形成された状態を示す。図３(e)は、２段目のバンプ２２に位置合わせして３段目のバンプ２２となるボール１４を接合している状態を示す。
このように、下段のバンプ２２に位置合わせしてボール１４を積み重ねるようにして接合することによって、図３(f)に示す多段バンプ２４を形成することができる。図３(f)に示す多段バンプ２４はバンプ２２を５段に積み重ねたものであるが、ボール１４を積み重ねる操作を繰り返して行うことにより、任意の段数の多段バンプを形成することができる。
【００１８】
図４は、図３に示す操作によって多段バンプを形成する際に、確実に多段バンプを形成するための条件を調べた結果を示すグラフである。すなわち、図４は、ボール１４をボンディングする際の荷重を変えたとき、ボールに作用させる超音波振動の出力を変えたとき、超音波振動を作用させる作用時間を変えたときに、多段バンプの倒れ率がどのようになるかを調べた結果を示す。
図４に示すグラフで横軸は、右に進むにしたがって荷重が大きくなり、超音波出力が大きなり、作用時間が長くなることを示す。この測定結果は、ボンディング時の荷重を強くすると多段バンプが倒れやすくなり、また、超音波出力を大きくした場合、超音波振動の作用時間を長くした場合に多段バンプが倒れやすくなることを示している。
【００１９】
このようにボールをボンディングしてバンプを形成する際の荷重、超音波出力、超音波の作用時間を、それぞれ大きく、強く、長くするとバンプを積み重ねる途中でバンプが倒れやすくなり、安定して多段バンプを形成することが難しくなるから、多段バンプを的確に形成できるようにするには、荷重を小さくし、超音波出力を弱めに設定し、超音波の作用時間を短くすることが必要となる。
ただし、バンプを形成する際に、単に、荷重を小さくし、超音波出力を弱くして作用時間を短くしたのでは、バンプの接合強度が低下し、確実にバンプを積み重ねていくことができなくなる。所要のバンプ接合強度を得ることができ、バンプの倒れを防止する方法としては、超音波振動のエネルギーを大きく、いいかえれば振幅を大きくし、作用時間を短くする方法が有効である。
【００２０】
そのため、本実施形態においては、バンプを積み重ねる当初においては荷重を大きく、超音波出力を強めに、作用時間を長めに設定して確実にバンプが接合されるように設定し、バンプを上段に積み重ねるに従って、荷重を徐々に小さく、超音波出力を徐々に弱く、作用時間が徐々に短くなるように条件を設定して多段バンプを形成した。いいかえれば、多段のバンプで上段側にボールをボンディングする際にはバンプに作用する衝撃を抑えるようにしてボンディングする。このように、多段バンプを形成する際に、ボンディング条件を各段で適宜変えるように調節することによって、多段バンプを確実に形成することが可能となる。
【００２１】
図５は下段のバンプに位置合わせしてバンプを積み重ねていくためにバンプの位置を検出してボンディングする方法を説明する説明図である。図ではキャピラリ１０の移動線の右半部に従来方法、左半部に本実施形態の方法を示している。
ボール１４を所定位置にボンディングする際には、まず、当たり位置の上方にキャピラリ１０を位置させ、次いで、キャピラリ１０を当たり位置に向けて移動させてボンディングする。キャピラリ１０の移動速度は、当たり位置を検出するための検出開始位置（図のＢ位置）までは高速に設定され、検出開始位置から当たり位置までは低速で移動して当たり位置に正確にボール１４が接合されるようにしている。
【００２２】
一般的に、検出開始位置（Ｂ点）は当たり位置を基準とし、この基準位置から上方へ８０〜１００μｍの高さに設定されている。この検出開始位置は通常、ボンディング装置が当たり位置を検出して自動的に設定される。このように、当たり位置を基準として検出開始位置を設定してボンディングする方法の場合は、検出開始位置よりも多段バンプの高さが高くなると、当たり位置を検出開始する前に、キャピラリ１０が高速でバンプに突入してしまいバンプを積みあげることができなくなる。
このように、多段バンプを形成する場合には従来の検出開始位置を決める方法では的確なボンディングができない。このため、本実施形態においては、検出開始位置を決めるための基準位置を、多段バンプの高さに基づいて設定することとし、その設定高さから上方へ８０〜１００μｍの高さの位置を検出開始位置（Ａ２）とするようにしている。
【００２３】
図５でＡ１が多段バンプの高さに基づいて設定した設定高さであり、本実施形態では、多段バンプの全高の４／５の高さを検出開始位置を決める基準高さとし、この基準高さ（Ａ１）をもとにして検出開始位置を決めている。たとえば、高さ２０μｍのバンプを１０段積み重ねた多段バンプを形成する場合には、多段バンプの高さが２００μｍになるから、この場合の基準高さ位置は、パッド面から２００×（４／５）＝１６０（μｍ）の高さとなり、この高さを基準として８０〜１００μｍ上方を検出開始位置（Ａ２）としてボンディングする。
【００２４】
検出開始位置を自動設定するボンディング装置の場合は、マニュアル設定に切り換えて多段バンプの高さに基づいた検出開始位置（Ａ２）を入力する。このように検出開始位置を決めると、従来のボンディング方法にくらべて、検出開始位置がパッド面から離れるからキャピラリ１０が低速で移動する距離が長くなり、ボンディングの所要時間が長くなる。一方、このように設定することで、多段にバンプを積みあげてボンディングする場合に、パッド位置を正確に検出してボンディングすることができ、確実に多段バンプを形成することが可能になるという利点がある。
【００２５】
図６は、多段バンプの形成例を示す。図３(f)に示した多段バンプ２４は、同一径のバンプ２２を積みあげて多段バンプ２４としたもので、多段バンプ２４は柱状に形成されている。
これに対して、図６(a)は、パッド２０に近い側のバンプ２２を細径とし、上段側のバンプ２２が徐々に太径となるように形成した例である。図６(b)は、多段に積みあげた中途部分のバンプ径を下段および上段のバンプ径よりも太径とした例である。また、図６(c)は、パッドに近い側のバンプ２２太径とし、上段のバンプ２２が徐々に細径となるようにした例である。図６(c)に示す多段バンプは、パッド上に安定的に支持されるものとなる。
【００２６】
このように、多段バンプを形成する場合には、各段のバンプ２２を同一径とすることもできるし、異なるバンプ径に形成して積みあげることもできる。
また、バンプ２２を積みあげる場合に、同一材料の金属ワイヤ１２を用いて、各段のバンプ２２が同一材料のバンプ２２からなるように形成することもできるし、異種の金属ワイヤ１２を用いて、異種材料からなるバンプ２２を混在させた多段バンプとすることもできる。
【００２７】
図７は、上述した方法を利用してパッドに多段バンプ３２を形成した半導体チップ３０の実装例を示す。
図７(a)、(b)は、半導体チップ３０のパッド形成面に、他の半導体チップ３４をスタックして搭載し、これらの半導体チップ３４とともに半導体チップ３０を実装基板４０に実装した例である。図７(a)は、半導体チップ３４を４段に積み重ねた例、図７(b)は半導体チップ３４を２段に積み重ねた例である。半導体チップ３４を積み重ねた状態での積み上げ高さが２００μｍ程度あっても、多段バンプ３２の高さを２００μｍ以上としておけば、半導体チップ３０に他の半導体チップ３４をスタックした状態で容易に実装することができる。
【００２８】
図８は、半導体チップをフリップチップ接続とワイヤボンディング接続を利用して実装する例を示す。
図８(a)は、フリップチップ接続によって実装基板に実装する半導体チップ３０の実装領域内で他の半導体チップ３３をワイヤボンディング接続を利用して実装する例である。半導体チップ３０と半導体チップ３３との電気的接続は、半導体チップ３０に形成した多段バンプ３２ａを介してなされている。また、半導体チップ３３のワイヤボンディング接続によって接続されるパッドには多段バンプ３２ｂが形成されている。半導体チップ３０が多段バンプ３２を介して実装基板４０に実装されているので、半導体チップ３３はワイヤボンディング接続により、半導体チップ３０の実装領域内で余裕をもって実装されている。３６がボンディングワイヤである。
【００２９】
図８(b)では、半導体チップ３３のパッドに形成された多段バンプ３２ｃを介して半導体チップ３と半導体チップ３０とが組み合わされて電気的に接続されている。図８(c)では、半導体チップ３０のパッドに形成された多段バンプ３２ａを介して半導体チップ３０と半導体チップ３３とが電気的に接続されている。
このように、多段バンプ３２を使用することによって、半導体チップを立体的に組み合わせて実装することが可能となり、種々の実装形態が可能となる。
【００３０】
図９は、実装基板４０に他の回路部品４２、４４とともに半導体チップ３０をフリップチップ接続した例を示す。回路部品４２、４４はいずれも、多段バンプ３２により実装基板４０と半導体チップ３０との間に形成された空き空間を利用して搭載されている。このように、多段バンプ３２を利用することによって半導体チップ３０の搭載領域内に回路部品を搭載するといった実装形態も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】金属ワイヤを溶融してボールを形成する方法を示す説明図である。
【図２】テール量によるボールと金属ワイヤとの中心位置ずれ量の測定結果を示すグラフである。
【図３】多段にバンプを形成する方法を示す説明図である。
【図４】ボールに作用させる荷重等によるバンプの倒れ発生率の調査結果を示すグラフである。
【図５】バンプの位置を検出してボンディングする方法を説明する説明図である。
【図６】多段バンプの例を示す説明図である。
【図７】多段バンプを設けた半導体チップの実装例を示す説明図である。
【図８】多段バンプを設けた半導体チップの実装例を示す説明図である。
【図９】多段バンプを設けた半導体チップの実装例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  キャピラリ
１２  金属ワイヤ
１４  ボール
１６  放電電極
１８  半導体チップ
２０  パッド
２２  バンプ
２４  多段バンプ
３０、３３、３４  半導体チップ
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ  多段バンプ
４０  実装基板
４２、４４  回路部品                                        
【図１】
2005135932.tif 000003
【図２】
2005135932.tif 000004
【図３】
2005135932.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005135932.tif 000008
【図７】
2005135932.tif 000009
【図８】
2005135932.tif 000010
【図９】
2005135932.tif 000011